La famille des gènes Hox code pour des facteurs de transcription connus pour leur contribution essentielle à l’élaboration de l’architecture du corps et ce, au sein de tout le règne animal. Au cours de l’évolution chez les vertébrés, les gènes Hox ont été redéfinis pour générer toute une variété de nouveaux tissus/organes. Souvent, cette diversification s’est effectuée via des changements quant au contrôle transcriptionnel des gènes Hox. Chez les mammifères, la fonction de Hoxa13 n’est pas restreinte qu’à l’embryon même, mais s’avère également essentielle pour le développement de la vascularisation fœtale au sein du labyrinthe placentaire, suggérant ainsi que sa fonction au sein de cette structure aurait accompagné l’émergence des espèces placentaires. Au chapitre 2, nous mettons en lumière le recrutement de deux autres gènes Hoxa, soient Hoxa10 et Hoxa11, au compartiment extra-embryonnaire. Nous démontrons que l’expression de Hoxa10, Hoxa11 et Hoxa13 est requise au sein de l’allantoïde, précurseur du cordon ombilical et du système vasculaire fœtal au sein du labyrinthe placentaire. De façon intéressante, nous avons découvert que l’expression des gènes Hoxa10-13 dans l’allantoïde n’est pas restreinte qu’aux mammifères placentaires, mais est également présente chez un vertébré non-placentaire, indiquant que le recrutement des ces gènes dans l’allantoïde précède fort probablement l’émergence des espèces placentaires. Nous avons généré des réarrangements génétiques et utilisé des essais transgéniques pour étudier les mécanismes régulant l’expression des gènes Hoxa dans l’allantoïde. Nous avons identifié un fragment intergénique de 50 kb capable d’induire l’expression d’un gène rapporteur dans l’allantoïde. Cependant, nous avons trouvé que le mécanisme de régulation contrôlant l’expression du gène Hoxa au sein du compartiment extra-embryonnaire est fort complexe et repose sur plus qu’un seul élément cis-régulateur. Au chapitre 3, nous avons utilisé la cartographie génétique du destin cellulaire pour évaluer la contribution globale des cellules exprimant Hoxa13 aux différentes structures embryonnaires. Plus particulièrement, nous avons examiné plus en détail l’analyse de la cartographie du destin cellulaire de Hoxa13 dans les pattes antérieures en développement. Nous avons pu déterminer que, dans le squelette du membre, tous les éléments squelettiques de l’autopode (main), à l’exception de quelques cellules dans les éléments carpiens les plus proximaux, proviennent des cellules exprimant Hoxa13. En contraste, nous avons découvert que, au sein du compartiment musculaire, les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes (Hoxa13lin+) s’étendent à des domaines plus proximaux du membre, où ils contribuent à générer la plupart des masses musculaires de l’avant-bras et, en partie, du triceps. De façon intéressante, nous avons découvert que les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes ne sont pas distribuées uniformément parmi les différents muscles. Au sein d’une même masse musculaire, les fibres avec une contribution Hoxa13lin+ différente peuvent être identifiées et les fibres avec une contribution semblable sont souvent regroupées ensemble. Ce résultat évoque la possibilité que Hoxa13 soit impliqué dans la mise en place de caractéristiques spécifiques des groupes musculaires, ou la mise en place de connections nerf-muscle. Prises dans leur ensemble, les données ici présentées permettent de mieux comprendre le rôle de Hoxa13 au sein des compartiments embryonnaires et extra-embryonnaires. Par ailleurs, nos résultats seront d’une importance primordiale pour soutenir les futures études visant à expliquer les mécanismes transcriptionnels soutenant la régulation des gènes Hoxa dans les tissus extra-embryonnaires. / The Hox family of transcription factors is well known for its key contribution in the establishment of the body architecture in all the animal kingdom. During vertebrate evolution, Hox genes have been co-opted to pattern a variety of novel tissues/organs. Often, this diversification has been achieved by changes in Hox transcriptional control. In mammals, Hoxa13 function is not restricted to the embryo proper, but is also essential for the proper development of the fetal vasculature within the placental labyrinth, suggesting that its function in this structure accompanied the emergence of placental species. In chapter 2, we report on the recruitment of two other Hoxa genes, namely Hoxa10 and Hoxa11, in the extra embryonic compartment. We show that Hoxa10, Hoxa11 and Hoxa13 expression is required in the allantois, the precursor of the umbilical cord and fetal vasculature within the placental labyrinth. Interestingly, we found that Hoxa10-13 gene expression in the allantois is not restricted to placental mammals, but is also present in a non-placental vertebrate, indicating that the recruitment of these genes in the allantois most likely predates the emergence of placental species. We generated genetic rearrangements and used transgenic assays to investigate the regulatory mechanisms underlying Hoxa gene expression in the allantois. We identified a 50 kb intergenic fragment able to drive reporter gene expression in the allantois. However, we found that the regulatory mechanism controlling Hoxa gene expression in the extra-embryonic compartment is very complex and relies on more than one cis-regulatory element. In chapter 3, we used genetic fate mapping to assess the overall contribution of Hoxa13 expressing cells to the different embryonic structures. In particular, we focused on Hoxa13 fate-mapping analysis in the developing forelimbs. We could determine that, in the limb skeleton, all autopod (hand) skeletal elements, with the exception of a few cells in the most proximal carpal elements, originate from Hoxa13 expressing cells. In contrast, we found that, in the muscle compartment, Hoxa13 expressing cells and their descendants extend to more proximal limb domains, where they contribute to most of the muscle masses of the forearm and, in part, to the triceps. Interestingly we found that Hoxa13 expressing cells and their descendants are not identically distributed among different muscles. Within the same muscular mass, fibres with different Hoxa13lin+ contribution can be identified, and fibers with similar contribution are often clustered together. This result raises the possibility that Hoxa13 might be involved in establishing specific features of muscle groups, or in establishing nerve-muscle connectivity. Altogether, the data presented herein provide a better understanding of the role of Hoxa13 in both the embryonic and extra-embryonic compartment. Moreover, our results will be of key importance for further investigations aimed at unravelling transcriptional mechanisms underlying Hoxa gene regulation in extra embryonic tissues.

Comment le plan d’organisation d’un organisme est-il mis en place est une question centrale de la biologie du développement. Les séquençages complets de plusieurs génomes de métazoaires ont montré qu’un nombre restreint de molécules régulatrices soutiennent la diversité des plans d’organisation des animaux, suggérant que ces molécules sont utilisées de manière répétée dans des contextes différents. Cela soulève la question de la diversité d’action : comment ces molécules acquièrent-elle une diversité fonctionnelle ? De plus, la plupart des molécules régulatrices partagent des motifs (fonctionnels/structuraux) communs, soulevant la question de la spécificité : comment des molécules partageant des propriétés biochimiques similaires contrôlent-elles des programmes développementaux spécifiques ?Mon équipe d’accueil s’intéresse à ces questions en utilisant les facteurs de transcription Hox de la Drosophile comme paradigme d’étude.Durant ma thèse, j’ai développé trois lignes de recherches : (1) J’ai adapté la technique de complémentation bi-moléculaire de fluorescence (BiFC) de visualisation des interactions protéines-protéines à l’embryon de drosophile en développement.(2) J’ai employé la BiFC pour disséquer la formation des complexes Hox-protéines PBC. Mes résultats remettent en question le paradigme établit : (a) en soulignant la multiplicité des modes d’interaction Hox-PBC existants, (b) en démontrant que cette diversité peut être source de spécificité d’action.(3) La BiFC a ensuite été exploitée dans un crible par approche gènes candidats pour identifier de nouveaux partenaires des protéines Hox. / My current laboratory aims to tackle the issue of specificity and diversity of regulatory molecules, taking the Drosophila Hox transcription factors as a paradigm for the analysis. During my PhD, I developed three connected research lines.Project 1: Visualization of protein interactions in living Drosophila embryos by the BiFC assayOur results establish the general suitability of BiFC for revealing and studying protein interactions in their physiological context during the rapid course of Drosophila embryonic development.Project 2: Investigation of Hox/PBC complex formation in vivo using BiFC Our findings challenge the current paradigm of Hox/Pbx complex assembly: (a) highlighting the existence of alternative modes of Pbx recruitment, (b) demonstrating that unique Hox-PBC interaction modes can provide specific regulatory function in absence of DNA-binding selectivity.To achieve this project BiFC was also performed with vertebrate Hox proteins in chicken embryos.Project 3: Realization of a candidate interaction screen based on BiFC to identify novel Hox protein partners in vivo(a) We have revealed that Hox proteins establish specific interactions with different subunits of the general mediator complex. These results constituted one of the rare studies making a direct link between the Hox regulators and components of the basal transcriptional machinery, in a physiological context.(b) We have discovered that Hox proteins can interact with importin proteins. This result allows us to assess the importance of controlling the nuclear localization of Hox proteins for controlling their regulatory activities during embryogenesis.

Les protéines Hox sont des protéines à homéodomaine. Elles sont très conservées et impliquées dans l'identité cellulaire selon les axes antéropostérieur, dorsoventral et proximodistal. Elles reconnaissent l'ADN pour réguler l’expression des gènes. La coopérativité avec des partenaires de la famille PBC est un modèle pour l'amélioration de la spécificité. Cette étude utilise Ubx (Hox) et Exd (PBC) de D. melanogaster comme modèles. Deux modes d'interaction entre Ubx et Exd : un par le motif « hexapeptide » d'Ubx et un autre par le motif UbdA objet de ce travail. UbdA se situe en C-terminal de l'hélice de reconnaissance de l'ADN d'Ubx. Nous avons résolu différentes structures de complexes Ubx-Exd-ADN avec deux types de séquences d'ADN. Ces structures montrent que le motif UbdA peut adopter différentes conformations permettant différents rôles : surface d'interaction avec Exd ou charnière entre l'HD et les domaines C-terminaux. En plus des motifs d'Ubx important pour la fonction de régulation, Ubx et Exd comportent des motifs intrinsèquement désordonnés appelés linker et bras N-terminal de l'homéodomaine, respectivement. Ces motifs interagissent avec l'ADN au niveau du sillon mineur et ont la capacité d'explorer l’environnement. Nous avons étudié l'extrémité en C-terminale d'Exd. Ce motif forme une quatrième hélice dont le repliement peut influer sur les contacts établis avec Ubx et avec l'ADN. L'ensemble de ces observations nous a permis d'apporter des éléments supplémentaires pour la compréhension de la spécificité de fonctions et de contribuer à alimenter les modèles de scannage de l'ADN de type monkey bar et d'« interface glissante ». / Hox proteins are homeodomain proteins belonging to the Transcription Factors superfamilly. These proteins are necessary for the determination of the cellular identity along the anteroposterior, dorsoventral and proximodistal axes. It's essential to recognize DNA targets with high specificity. One possible mechanism to acquire specificity implies the cooperativity between Hox and their PBC partners. Ubx (Hox) and Exd (PBC) proteins from D. melanogaster are the object of this work. One mechanisme of coopertivity involves the “hexapeptide” motif in Ubx and another one that involves its UbdA motif. The UbdA motif is located C-terminal to the recognition helix. We have solved seven different structures of Ubx-Exd-DNA complexes. Thanks to these structures, we show that UbdA can have a multipurpose role : it can provide an interaction surface to contact Exd and it can also act like a hinge between the C-terminal regions of Ubx and its homeodomain. UbdA and HX motifs from Ubx are not the only regions involved in the control of these proteins functions. Ubx and Exd also contain intrinsically disordered regions which are the linker region and the homeodomain N-terminal arm, for Ubx and Exd respectively. They interact with the DNA in the minor groove and can explore the space around. We studied the Exd 's C-terminal motif and determined that it has a flexible, helical fold. The folding of this fourth helix could modify the contacts established with Ubx and with the DNA. All these observations allow us to add supplementary information for the understanding of functional specificity and provide new arguments for the monkey-bar and for the « gliding interface » DNA- scanning models.

La famille des gènes Hox code pour des facteurs de transcription connus pour leur contribution essentielle à l’élaboration de l’architecture du corps et ce, au sein de tout le règne animal. Au cours de l’évolution chez les vertébrés, les gènes Hox ont été redéfinis pour générer toute une variété de nouveaux tissus/organes. Souvent, cette diversification s’est effectuée via des changements quant au contrôle transcriptionnel des gènes Hox. Chez les mammifères, la fonction de Hoxa13 n’est pas restreinte qu’à l’embryon même, mais s’avère également essentielle pour le développement de la vascularisation fœtale au sein du labyrinthe placentaire, suggérant ainsi que sa fonction au sein de cette structure aurait accompagné l’émergence des espèces placentaires. Au chapitre 2, nous mettons en lumière le recrutement de deux autres gènes Hoxa, soient Hoxa10 et Hoxa11, au compartiment extra-embryonnaire. Nous démontrons que l’expression de Hoxa10, Hoxa11 et Hoxa13 est requise au sein de l’allantoïde, précurseur du cordon ombilical et du système vasculaire fœtal au sein du labyrinthe placentaire. De façon intéressante, nous avons découvert que l’expression des gènes Hoxa10-13 dans l’allantoïde n’est pas restreinte qu’aux mammifères placentaires, mais est également présente chez un vertébré non-placentaire, indiquant que le recrutement des ces gènes dans l’allantoïde précède fort probablement l’émergence des espèces placentaires. Nous avons généré des réarrangements génétiques et utilisé des essais transgéniques pour étudier les mécanismes régulant l’expression des gènes Hoxa dans l’allantoïde. Nous avons identifié un fragment intergénique de 50 kb capable d’induire l’expression d’un gène rapporteur dans l’allantoïde. Cependant, nous avons trouvé que le mécanisme de régulation contrôlant l’expression du gène Hoxa au sein du compartiment extra-embryonnaire est fort complexe et repose sur plus qu’un seul élément cis-régulateur. Au chapitre 3, nous avons utilisé la cartographie génétique du destin cellulaire pour évaluer la contribution globale des cellules exprimant Hoxa13 aux différentes structures embryonnaires. Plus particulièrement, nous avons examiné plus en détail l’analyse de la cartographie du destin cellulaire de Hoxa13 dans les pattes antérieures en développement. Nous avons pu déterminer que, dans le squelette du membre, tous les éléments squelettiques de l’autopode (main), à l’exception de quelques cellules dans les éléments carpiens les plus proximaux, proviennent des cellules exprimant Hoxa13. En contraste, nous avons découvert que, au sein du compartiment musculaire, les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes (Hoxa13lin+) s’étendent à des domaines plus proximaux du membre, où ils contribuent à générer la plupart des masses musculaires de l’avant-bras et, en partie, du triceps. De façon intéressante, nous avons découvert que les cellules exprimant Hoxa13 et leurs descendantes ne sont pas distribuées uniformément parmi les différents muscles. Au sein d’une même masse musculaire, les fibres avec une contribution Hoxa13lin+ différente peuvent être identifiées et les fibres avec une contribution semblable sont souvent regroupées ensemble. Ce résultat évoque la possibilité que Hoxa13 soit impliqué dans la mise en place de caractéristiques spécifiques des groupes musculaires, ou la mise en place de connections nerf-muscle. Prises dans leur ensemble, les données ici présentées permettent de mieux comprendre le rôle de Hoxa13 au sein des compartiments embryonnaires et extra-embryonnaires. Par ailleurs, nos résultats seront d’une importance primordiale pour soutenir les futures études visant à expliquer les mécanismes transcriptionnels soutenant la régulation des gènes Hoxa dans les tissus extra-embryonnaires. / The Hox family of transcription factors is well known for its key contribution in the establishment of the body architecture in all the animal kingdom. During vertebrate evolution, Hox genes have been co-opted to pattern a variety of novel tissues/organs. Often, this diversification has been achieved by changes in Hox transcriptional control. In mammals, Hoxa13 function is not restricted to the embryo proper, but is also essential for the proper development of the fetal vasculature within the placental labyrinth, suggesting that its function in this structure accompanied the emergence of placental species. In chapter 2, we report on the recruitment of two other Hoxa genes, namely Hoxa10 and Hoxa11, in the extra embryonic compartment. We show that Hoxa10, Hoxa11 and Hoxa13 expression is required in the allantois, the precursor of the umbilical cord and fetal vasculature within the placental labyrinth. Interestingly, we found that Hoxa10-13 gene expression in the allantois is not restricted to placental mammals, but is also present in a non-placental vertebrate, indicating that the recruitment of these genes in the allantois most likely predates the emergence of placental species. We generated genetic rearrangements and used transgenic assays to investigate the regulatory mechanisms underlying Hoxa gene expression in the allantois. We identified a 50 kb intergenic fragment able to drive reporter gene expression in the allantois. However, we found that the regulatory mechanism controlling Hoxa gene expression in the extra-embryonic compartment is very complex and relies on more than one cis-regulatory element. In chapter 3, we used genetic fate mapping to assess the overall contribution of Hoxa13 expressing cells to the different embryonic structures. In particular, we focused on Hoxa13 fate-mapping analysis in the developing forelimbs. We could determine that, in the limb skeleton, all autopod (hand) skeletal elements, with the exception of a few cells in the most proximal carpal elements, originate from Hoxa13 expressing cells. In contrast, we found that, in the muscle compartment, Hoxa13 expressing cells and their descendants extend to more proximal limb domains, where they contribute to most of the muscle masses of the forearm and, in part, to the triceps. Interestingly we found that Hoxa13 expressing cells and their descendants are not identically distributed among different muscles. Within the same muscular mass, fibres with different Hoxa13lin+ contribution can be identified, and fibers with similar contribution are often clustered together. This result raises the possibility that Hoxa13 might be involved in establishing specific features of muscle groups, or in establishing nerve-muscle connectivity. Altogether, the data presented herein provide a better understanding of the role of Hoxa13 in both the embryonic and extra-embryonic compartment. Moreover, our results will be of key importance for further investigations aimed at unravelling transcriptional mechanisms underlying Hoxa gene regulation in extra embryonic tissues.

Les changements de forme et les mouvements des cellules constituant les tissus relèvent de la morphogenèse épithéliale. Dans les tissus segmentés les compartiments antérieurs et postérieurs représentent des domaines morphogénétiques indépendants constitués de lignées cellulaires distinctes et séparées par des barrières biophysiques. Le laboratoire a montré que lors de la fermeture dorsale de l’embryon de drosophile, certaines cellules des segments centraux de l’ectoderme, appelées « Cellules Mixer » (CMs), sont reprogrammées pour traverser la frontière segmentale dans un phénomène qui prend le nom de « mixing ». La reprogrammation des CMs est JNK dépendante induisant l’expression de novo du gène engrailed (en). La mise au point de nouveaux outils génétiques a permis de révéler le rôle de deux familles de gènes impliqués dans les mécanismes de reprogrammation et de mixing : le gène Polycomb (Pc) et les gènes Hox. La technique de DNA-FISH, qui analyse l’interaction entre Pc et le PRE d’en, a ainsi montré que la voie JNK induit l’expression de novo d’en par dé-répression de l’activité Pc dans les CMs. De manière intéressante l’analyse approfondie des mutants Pc a dévoilé que les gènes Hox abdominal-A (abdA) et Abdominal-B (AbdB) contrôlent le domaine du mixing. Des expériences de gain et perte de fonction ont par la suite confirmé le rôle positif d’abdA et le rôle négatif d’AbdB dans le mixing. En conclusion, l’ensemble des résultats obtenus ont permis de dévoiler la présence d’un réseau génétique composé de par JNK, en, Pc et les gènes Hox contrôlant les mécanismes de reprogrammation cellulaire et de remodelage des frontières segmentales au cours du développement normal. / Tissue morphogenesis relies on patterned cell shape changes and movements taking place in specific morphogenetic domains. In segmented tissues, anterior and posterior compartments represent independent morphogenetic domains which are made of distinct lineages separated by boundaries. We previously reported on a rare event leading to the exchange of specific ‘Mixer Cells’ (MCs) between compartments of the ectoderm. During dorsal closure, MCs, which are of anterior origin, cross the boundary to integrate the adjacent posterior compartment through de novo expression of the posterior determinant Engrailed (En). This reprograming process is dependent on JNK signalling and is restricted to the central abdominal region. Here, we show that JNK signalling represses Polycomb (Pc) expression and that loss of Pc leads to an absence of MCs reprogramming. FISH-DNA coupled to immunostaining further shows that MCs fate transition is accompanied by a release of the en promoter from the repressing Pc bodies. Interestingly, our genetic data reveal that spatial control of MCs reprograming depends on the activity of the Hox genes abdominal-A (abdA) and Abdominal-B (AbdB). In their respective domains, abd-A promotes mixing while abd-B behaves as a strong repressor, thus restricting cell mixing to the central abdominal region. Together, these results provide new insights into the mechanisms of developmental reprogramming, showing that segment boundary plasticity relies on regional control of cell remodelling involving a gene regulatory network composed of JNK, en, Pc, and Hox activities.

Mon travail de thèse porte sur l’étude du rôle de l’histone acétyl-transférase MOZ et de l’histone méthyle-transférase MLL dans l’hématopoïèse. Elles contrôlent l’expression de nombreux gènes, nottament des gènes HOX, des facteurs de transcription connus pour leur rôle dans l’hématopoïèse normale et pathologique. Les deux protéines ont des gènes cibles communs tel qu'HOXA9. Ces observations nous ont conduit à rechercher une coopération fonctionnelle entre MOZ et MLL. Nous avons montré que MOZ était associée avec MLL dans les cellules souches/progénitrices humaines CD34+ afin d’activer la transcription des gènes HOXA5, HOXA7 et HOXA9. En effet, les deux protéines interagissent et sont recrutées au niveau de leur promoteur. Nous avons mis en évidence une interférence fonctionnelle entre ces deux facteurs épigénétiques, puisque MOZ est nécessaire au recrutement et à l’activité enzymatique de MLL au niveau des gènes HOXA5, HOXA7 et HOXA9 et réciproquement.Afin de caractériser le mécanisme d’action impliquant la coopération entre MOZ et MLL, nous avons recherché d’autres partenaires associés à ce duo. Nous avons identifié la Symplekin, un membre de la machinerie de polyadénylation. Nous avons mis en évidence l’interaction de la Symplekin avec MOZ et MLL dans les cellules de la lignée hématopoïétique humaine KG1. Les trois protéines sont co-recrutées sur le promoteur du gène HOXA9. Nous avons démontré le rôle ambivalent de la Symplekin. Bien qu’elle soit importante pour la polyadénylation et par conséquent pour la stabilité de l’ARN Hoxa9, la Symplekin empêche le recrutement de MOZ et de MLL au niveau du gène HOXA9, conduisant ainsi à une diminution de sa transcription. / My thesis project has consisted of the study of MOZ, and MLL. They are epigenetic regulators. MOZ and MLL activate transcription of HOX genes, which are transcription factors essential during haematopoiesis. MOZ and MLL have some target genes in common. In our study, we characterised a cooperation between MOZ and MLL in human haematopoietic stem/progenitor cells CD34+. They are both recruited onto HOX promoters. MOZ is essential for MLL recruitment, and this is reciprocal. In conclusion, we provided an example of a mechanism involving a direct cross-talk between two histone modifying enzymes.In order to dissect the mechanism of action of this complex, we decided to identify novel proteins interacting with both MOZ and MLL. A member of the RNA polyadenylation machinery has been isolated: Symplekin. We confirmed the interaction between MOZ, MLL and Symplekin in the human haematopoietic immature cell line KG1. We showed that Symplekin is co-recruited to HOXA9 promoter along with MOZ and MLL. We demonstrated the dual role of this member of the polyadenylation machinery. Indeed, besides the fact that Symplekin is important for Hoxa9 polyadenylation, thus its stability, it prevents MOZ and MLL recruitment onto HOXA9 promoter, leading to a decrease of HOXA9 transcription.Our work improved the understanding of the mechanism of action of MOZ and MLL in HOX control.

Les protéines Hox sont des facteurs de transcription à homéodomaine, dont les propriétés de liaison à l’ADN contrastent avec leur spécificité fonctionnelle in vivo. Ils interagissent avec les cofacteurs PBC (Extradenticle (Exd) chez la drosophile) formant des complexes multimériques dont la spécificité fonctionnelle est accrue. Cette interaction repose sur le motif l’hexapeptide (HX), conservé dans la plupart des protéines Hox. Récemment, nous avons identifié le domaine UbdA (UA), spécifique aux protéines Hox de classe centrale Ultrabithorax (Ubx) et AbdominalA (Abd-A), comme un nouveau motif d'interaction avec la protéine Exd. Des analyses in vivo de la contribution de l’HX et de UbdA dans l’activité des protéines Ubx et Abd-A ont indiqué que les protéines Ubx et Abd-A partagent des fonctions (Exd dépendantes et indépendantes), qui ne sont pas médiées par une utilisation identique des motifs protéiques HX et UA.L’objectif de ces travaux est d’analyser les mécanismes moléculaires qui sous-tendent une utilisation ciblée/sélective des motifs protéiques HX et UA de Ubx et de Abd-A en absence du cofacteur connu Exd. Pour cela, des lignées cellulaires S2 DRSC exprimant les protéines Ubx sauvages et mutantes sur les motifs HX et UA, ont été générées et analysées par des expériences de ChIP-Seq. Nos données comparées à celles obtenues précédemment dans l’équipe pour la protéine Abd-A posent les bases permettant d’appréhender la contribution fonctionnelle et l’utilisation sélective des motifs protéiques HX et UA, au-delà de leurs fonctions dans la médiation de l'interaction avec le cofacteur Exd. / Hox proteins are homeodomain-containing transcription factors, whose poor DNA-binding properties contrast with their functional specificity in vivo. They interact with PBC cofactors (Extradenticle (Exd) in Drosophila), forming multimeric complexes with increased functional specificity. This interaction involve a conserved motif called the hexapeptide (HX), found in most Hox proteins. Recently, we the UbdA domain (UA), specific to the central class Hox proteins Ultrabithorax (Ubx) and Abdominal-A (Abd-A), as a novel interaction motif with the Exd protein. In vivo analysis of the HX and UA contributions to Ubx and Abd-A protein activity indicated Ubx and Abd-A shared functions (Exd dependent or independent) do not necessarily rely on a similar use of the HX or UA protein motifs. The aim of this work was to investigate the molecular mechanisms underlying the targeted/selective use of the HX and UA protein motifs in Ubx and Abd-A in the absence of the usual Hox Exd cofactor. For this, S2 DSRC cell lines stably expressing the Ubx protein, as well as HX or UA variants have been generated and analysed by ChiP-Seq experiments. Our data, compared to those previously obtained for Abd-A in the laboratory, set bases for apprehending the functional contribution and selective use of the HX and UA protein motifs, outside their established function in mediating interaction with the Exd cofactor.

Les populations sont soumises à des pressions sélectives qui agissent sur certains traits entraînant une divergence phénotypique. L'évolution des morphologies adaptatives est souvent liée avec des changements de structures préexistantes. Les insectes semi-Aquatiques ont subi une croissance de pattes exagérée qui est associée à leur adaptation et locomotion efficace à la surface de l'eau. Cette croissance excessive a facilitée l'exploitation de l'habitat aquatique restreint pour les espèces terrestres apparentées. En outre, le groupe dérivé des gerris a subi des modifications supplémentaires au niveau des pattes, de sorte que la deuxième patte (P2) est plus longue que la troisième patte (P3). Ce plan d'organisation inversé par rapport à celui des espèces terrestres, est associé à la spécialisation pour une vie sur l'eau. Les gerris ont acquis un mode de locomotion dérivée qui consiste à ramer par des mouvements simultanés de leurs P2 et des mouvements plus subtils de leurs P3 pour s'orienter. La structure et la croissance des pattes des insectes semi-Aquatiques sont réalisées durant l'embryogenèse. En effet, la nymphe qui éclot possède des pattes fonctionnelles. Il a été démontré que le facteur de transcription Hox, Ubx, est impliqué dans cette inversion du plan des pattes. Cependant, les mécanismes génétiques responsables de ces adaptations restent toujours obscurs. La thèse présentée examine ces questions à travers deux axes : premièrement, déterminer les gènes et les voies de signalisation responsables du développement et de la croissance remarquable des pattes ; deuxièmement, étudier le rôle du gène Hox impliqué dans l'inversion du plan des pattes caractéristique des gerris / Populations are faced with selective pressures that act on certain traits resulting in phenotypic divergence. The evolution of adaptive morphological traits is often associated with changes in pre-Existing structures. In semiaquatic insects, a dramatic growth of thoracic appendages is associated with their adaptation and efficient locomotion on the water surface. This particular leg allometry facilitated the exploitation of aquatic habitats, a restricted niche for their terrestrial relatives; and hence opens a new array of ecological opportunities. Additionally, the derived group of water striders has undergone further appendage modification, such that T2-Legs are longer than T3-Legs, a ground plan associated with the specialization to open water. Water striders have evolved a derived mode of locomotion through rowing on water. They move their mid-Legs in simultaneous sweeping strokes for propulsion, and move their hind-Legs in fine movements for orientation. Leg specification and elongation in semiaquatic insects happens during early embryogenesis as the newly hatching nymphs emerge with functional legs. The Hox transcription factor Ubx was found to be implicated in the reversal in leg ground plan. Nonetheless, the genetic mechanisms underlying these leg adaptive changes are still poorly understood. The presented thesis investigates these questions through two main goals: first, to uncover the genes and pathways implicated in the development and dramatic elongation of the legs; second, to examine the dynamics of Hox control responsible for the reversal in leg ground plan characteristic of water striders

Les insectes présentent une étonnante diversité morphologique dans les organes de vol, et cette évolution a conduit à leur rayonnement au sein du règne animal. L'une des modifications les plus frappantes est la transformation des ailes postérieures en structures d'équilibrage très réduites, appelées haltères. Des travaux pionniers chez la drosophile ont montré que la spécification des haltères est sous le contrôle du gène Hox Ultrabithorax (Ubx). En revanche, la formation des ailes antérieures est décrite pour être indépendante des gènes Hox, mais cette observation est controversée chez d’autres insectes. Au cours de mon doctorat, j'ai réexaminé le rôle des gènes Hox pour la spécification des organes du vol chez la drosophile. Mes travaux montrent que la protéine Hox Antennapedia (Antp) est exprimée à un niveau faible dans des cellules spécifiques du primordium de la marge et est nécessaire à la formation correcte de l’aile adulte. De manière étonnante, Antp peut également fonctionner comme Ubx et former un haltère quand la protéine est exprimée à des niveaux similaires à ceux de Ubx. Ainsi, la formation d’organes de vol divergents chez la drosophile est directement contrôlée par une dose spécifique de protéine Hox et non par une protéine Hox spécifique. Les gènes Hox sont intrinsèquement liés à l'évolution de la diversité morphologique chez les animaux. Par conséquent, le rôle de la dose des protéines Hox a également été testé d'un point de vue évolutif parmi plusieurs lignages d'insectes. Les résultats montrent que la dose de protéines Hox est à peu près la même entre les primordia antérieur et postérieur d’un insecte à quatre ailes comme Bombyx mori. Dans l’ensemble, mes résultats démontrent que la spécification des organes de vol n’est pas un programme Hox-indépendant et que la variation de la dose des protéines Hox est un moyen de modifier la taille et la forme de l’aile, pouvant ultimement aboutir à la création d’un tout nouvel organe d’équilibrage au cours de l’évolution des insectes. Enfin, au cours de mon doctorat, j'ai également participé à plusieurs projets parallèles visant à identifier et à caractériser le rôle des nouveaux cofacteurs des protéines Hox dans différents contextes développementaux, notamment la spécification de l’haltère et la répression de l'autophagie. Ces travaux s'appuient en partie sur la complémentation de fluorescence bimoléculaire (BiFC), une méthode que nous avons récemment couplée à la panoplie d'outils génétiques de la drosophile pour réaliser des criblages d'interactions protéine-protéine à grande échelle in vivo. / Insects display an astonishing array of diversity in flight appendage morphologies and theirevolution led to the catalyzed radiation of insects in the animal kingdom. The first definite modellinking the Hox genes to morphological evolution was demonstrated in Drosophila. One of themost striking modifications is the transformation of hindwings into highly reduced balancingstructures called halteres. Work in Drosophila established that the specification of halteres isunder the control of a single Hox gene, Ultrabithorax (Ubx). In contrast, the formation of forewingshas been described to be Hox-independent. During my Ph.D., I reconsidered the role of Hox genesfor flight appendage specification in Drosophila. I show that the Hox protein Antennapedia (Antp)is expressed at a low level in specific cells of the wing blade primordium and required for theproper formation of the adult wing. Moreover, Antp works like Ubx to form a haltere whenexpressed in the levels of Ubx. Thus, the formation of divergent flight organs in Drosophila is notdependent on a specific Hox protein but on a specific Hox dose.Hox genes are intrinsically linked to the evolution of morphological diversity in animals.Therefore the role of the Hox dose was also tested from an evolutionary point of view amongseveral insect lineages. Results show that the Hox dose is for example pretty much the samebetween the forewing and hindwing primordia of the four-wing insect species Bombyx mori.Altogether, my results demonstrate that the specification of flight appendages is not aHox-independent developmental program and that the variation in the Hox dose is a way tomodify the wing size and shape, ultimately leading to a completely new balancing organ duringinsect evolution.

Chez les humains, un large pourcentage de leucémies myéloïdes et lymphoïdes exprime des gènes Homéobox (Hox) de façon aberrante, principalement ceux du groupe des gènes Hoxa. Cette dérégulation de l’expression des gènes Hox peut provenir directement des translocations impliquant des gènes Hox ou indirectement par d’autres protéines ayant un potentiel oncogénique. De plus, plusieurs études indiquent que les gènes Hox jouent un rôle essentiel dans l'initiation de diverses leucémies. Comprendre le fonctionnement des gènes Hox dans l'hématopoïèse normale est donc une condition préalable pour élucider leurs fonctions dans les leucémies, ce qui pourrait éventuellement conduire à l’élaboration de nouveaux traitements contre cette maladie. Plusieurs études ont tenté d’élucider les rôles exacts des gènes Hox dans l'hématopoïèse via l’utilisation de souris mutantes pour un seul gène Hox. Or, en raison du phénomène de redondance fonctionnelle chez cette famille de gènes, ces études ont été peu concluantes. Il a été précédemment démontré que dans une population de cellules enrichies en cellules souches hématopoïétiques (CSH), les gènes du cluster Hoxa sont plus exprimés que les gènes Hox des autres clusters. Aussi, il a été établi que les gènes du cluster Hoxb sont non essentiels à l’hématopoïèse définitive puisque les CSH mutantes pour les gènes Hoxb1-9 conservent leur potentiel de reconstitution à long terme. En nous basant sur ces données, nous avons émis l'hypothèse suivante : les gènes Hoxa sont essentiels pour l'hématopoïèse normale adulte. Pour tester notre hypothèse, nous avons choisi d’utiliser un modèle de souris comportant une délétion pour l’ensemble des gènes Hoxa. Dans le cadre de cette recherche, nous avons démontré que les CSH, les progéniteurs primitifs et les progéniteurs des cellules B sont particulièrement sensibles au niveau d'expression des gènes Hoxa. Plus particulièrement, une baisse de la survie et une différenciation prématurée semblent être à l’origine de la perte des CSH Hoxa-/- dans la moelle osseuse. L’analyse du profil transcriptionnel des CSH par séquençage de l'ARN a révélé que les gènes Hoxa sont capables de réguler un vaste réseau de gènes impliqués dans divers processus biologiques. En effet, les gènes Hoxa régulent l’expression de plusieurs gènes codant pour des récepteurs de cytokine. De plus, les gènes Hoxa influencent l’expression de gènes jouant une fonction dans l’architecture de la niche hématopoïétique. L’expression de plusieurs molécules d’adhésion est aussi modulée par les gènes Hoxa, ce qui peut affecter la relation des CSH avec la niche hématopoïétique. L’ensemble de ces résultats démontre que les gènes Hoxa sont d'importants régulateurs de l'hématopoïèse adulte puisqu’ils sont nécessaires au maintien des CSH et des progéniteurs grâce à leurs effets sur plusieurs processus biologiques comme l'apoptose, le cycle cellulaire et les interactions avec la niche. / In humans, a large percentage of myeloid and lymphoid leukemias exhibit aberrant Homeobox (Hox) genes expression, predominantly Hoxa genes. This aberrant expression is known to be caused by either translocations involving Hox genes or indirect activation of Hox genes. In addition, evidence now indicates a critical role for Hox genes in the initiation of leukemias. Clearly, understanding how Hox genes function in normal hematopoiesis is prerequisite to elucidate their involvement in leukemogenesis and this may eventually lead to new treatments for this disease. Attempts to determine the precise role(s) of Hox genes in normal hematopoiesis using single gene loss of function mutants have shown little success due to functional complementation by the remaining Hox genes. We previously showed that the Hoxa genes are much higher expressed in enriched hematopoietic stem cell (HSC) populations than the other members of the Hox gene family. Moreover, Hoxb cluster genes were found to be dispensable for HSCs long-term repopulation of irradiated mice. Thus, we hypothesize that Hoxa genes are critical for normal adult hematopoiesis. We have used a multi-gene knockout (KO for the entire Hoxa cluster) approach to thoroughly evaluate this issue. In this thesis, we showed that HSC, primitive progenitors and B cell progenitors are particularly sensitive to the levels of Hoxa gene expression. Furthermore, a lower survival and a premature differentiation account for the loss HSC Hoxa-/- in bone marrow. Differential expression profiling by RNASeq revealed that Hoxa genes are capable of regulating a broad array of genes involved in various biological processes. Indeed, Hoxa genes regulate the expression of several genes coding for cytokine receptors. Furthermore, Hoxa genes modulate the expression of genes implicated in the regulation and formation of the niche architecture. The expression of several adhesion molecules is also modulated by the Hoxa genes, which can affect the relationship of HSC with the hematopoietic niche. Through their action on several biological processes such as apoptosis, cell cycle and niche interactions, Hoxa genes are necessary for maintenance of HSC and progenitors. Taken together, these results demonstrate that Hoxa genes are important regulators of adult hematopoiesis.